付美林

1 HSY算法在水質(zhì)模型參數(shù)識別中的應用

1.1 HSY 算法主要步驟[1，2］

1)確定參數(shù)可能取值的空間，即確定參數(shù)取值的上限和下限以及空間統(tǒng)計分布狀態(tài);2)根據(jù)已有數(shù)據(jù)和模擬的要求，將模擬的結(jié)果劃分為可接受和不可接受兩種類型[3］;3)對參數(shù)在取值空間進行隨機采樣，用采樣的參數(shù)進行系統(tǒng)模擬;4)根據(jù)這組模擬的結(jié)果把參數(shù)進行歸類，分別對應于2)中的兩種劃分方案;5)重復3)和4)，直到找到要求數(shù)量的可以接受的參數(shù)為止。

HSY算法摒棄了逼近實際觀測值單一時間變化曲線的優(yōu)化方法識別模型參數(shù)的理念，而以一個可接受域代表系統(tǒng)的發(fā)生。HSY算法識別的參數(shù)不是一個單點，而是由大量“可行”參數(shù)形成的集合。

1.2 南水北調(diào)工程水質(zhì)模型與模擬

南水北調(diào)工程水質(zhì)模擬采用了連續(xù)箱式模型(CSTR)，它是由若干個完全混合的箱體串聯(lián)而成的一維模型。即把河道分成若干連續(xù)的段，在段內(nèi)劃分箱子，在每一段內(nèi)模型參數(shù)認為保持不變，在每一個箱內(nèi)水質(zhì)是完全混合的。

在CSTR模型中，每個箱子的輸入主要包括上游來水、支流匯入、非點源、點源，輸出包括下游箱子的出流、支流出流、下滲等(見圖1)。

本試驗采用2000年9月中的3 d數(shù)據(jù)進行參數(shù)識別，而用1994年～1999年及2000年12月的數(shù)據(jù)對模型的參數(shù)進行檢驗(來自水利部淮河水利委員會對調(diào)水沿線專門進行監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù))。

1.3 參數(shù)識別結(jié)果

以南水北調(diào)工程東線寶應—高郵段為例，運用HSY算法對CODMn的降解常數(shù)參數(shù)識別結(jié)果如圖2所示。它是從幾十萬次運算中找出的5 000組“可行”的參數(shù)值，即模擬結(jié)果的期望值與實際觀測數(shù)據(jù)平均值的相對誤差不超過10%。這5 000組參數(shù)值體現(xiàn)了在當時的輸入數(shù)據(jù)條件下，模型的參數(shù)所具有的分布特征。

從圖2可以看出CODMn的一級降解常數(shù)在0.06左右出現(xiàn)的概率最大，并向兩端逐漸減小。

1.4 相關(guān)結(jié)論

通過以上分析可知，模型參數(shù)范圍的選取以及“可行”參數(shù)標準選取是HSY算法的關(guān)鍵問題。要根據(jù)實際的數(shù)據(jù)情況選取一個較為合理的范圍和標準，這是一個主觀與客觀相結(jié)合的過程。此外，通過HSY算法可以求得模型參數(shù)的分布，而不再是一個單一的最優(yōu)參數(shù)，從而在一定程度上避免了由于“最優(yōu)”參數(shù)失真帶來的決策風險[4］。

2 反應器理論用于中藥廢水處理工程的改造

2.1 處理工藝改造理論分析

蔣彬等人在研究中發(fā)現(xiàn)，用SBR單級好氧處理工藝(2池并聯(lián)交替運行)處理中藥生產(chǎn)廢水，處理效果嚴重超過排放標準GB 8978-1996:運行期間COD濃度為10 000 mg/L左右，出水COD濃度為1 200 mg/L～1 350 mg/L。對此，蔣彬等人從理論分析著手，得出了工藝改造的理論基礎(chǔ)[5］。在本廢水處理工程中，將生化反應假定為一級反應，速率常數(shù)為 k，因此:dc/dt= －kc。?，pr，ci分別為轉(zhuǎn)化率(即去除率)、生產(chǎn)率和進水濃度。SBR反應器可以看作是一個完全混合反應器，根據(jù)文獻[6］可得如下公式:

對于n級完全混合反應器來說，存在如下關(guān)系:

經(jīng)過數(shù)學推導可得V∞/V級＞1(推導過程略)。當n越大時，式(3)比值也越大。這說明反應器級數(shù)越多，達到同樣的處理效果所需的多級完全混合反應器的容積就越小。反過來說，如果SBR反應器與多級完全混合反應器的容積相同，則后者的處理效果更好，并隨著反應器級數(shù)的增加，出水污染物濃度將會進一步降低。

設式(1)，式(2)中 ?，pr，ci均相等，則式(1)/式(2)得:

2.2 改造工藝的確定

根據(jù)以上反應器理論分析，并結(jié)合改造工程實際情況及經(jīng)濟因素，主體工藝采用4級串聯(lián)的好氧工藝，以獲得更大的反應推動力。由于中藥廢水的可生化性較差，在好氧處理前采用水解酸化工藝，利用兼氧細菌水解和產(chǎn)酸作用，將中藥廢水中難降解的大分子有機物轉(zhuǎn)化為易降解的小分子有機物，不溶性的有機物變成溶解性的有機物，提高廢水的可生化性，去除部分污染物。國內(nèi)亦有采用水解酸化——好氧處理中藥廢水的成功實例[7］。改造工藝流程如圖3所示。

2.3 運行結(jié)果及分析

表1為吉林省環(huán)境監(jiān)測中心站于2003年11月27日和28日工程驗收監(jiān)測結(jié)果。通過表1，并與SBR工藝處理效果進行比較，驗證了前文的推斷，即隨著反應器級數(shù)的增加，出水污染物濃度將會進一步降低。從表1得知，SS，COD，BOD5，NH3-N的去除率分別達到了 73.6% ，99.4%，99.3%，94.5%。除了 COD 略微超標，其他水質(zhì)指標都達到了GB 8978-1996污水綜合排放標準的一級排放標準，說明采用四級活性污泥法處理高濃度中藥廢水(COD在10 000 mg/L～15 000 mg/L)是可行的。

表1 監(jiān)測結(jié)果 mg/L

在實際運行中發(fā)現(xiàn)，水解池將廢水的B/C升至0.35～0.38，大大提高了廢水的可生化性，降低了好氧工藝的處理難度。4級曝氣池中的污泥濃度、活性污泥的有機負荷、COD絕對去除量從高到低分布，這從反應器的串聯(lián)原理上說明了該設計的合理性。

3 結(jié)語

采用HSY算法可求得模型參數(shù)的分布，并且此參數(shù)不是一個單一的最優(yōu)參數(shù)，從而一定程度上避免了“最優(yōu)”參數(shù)失真帶來的決策風險。根據(jù)反應器理論進行中藥廢水處理工程的改造，解決了SBR工藝對于高濃度有機廢水處理上的瓶頸，將普通活性污泥法對高濃度有機廢水的處理范圍擴大到COD為10 000 mg/L～15 000 mg/L。通過分析反應器原理，得出反應器參數(shù)與實際處理效果的關(guān)系，對于改進反應器的運行狀態(tài)，提高處理效果，將起到實質(zhì)性的作用。這對水科學研究人員提升反應效率提供了一條捷徑。

[1]Chen J，Beck M B.Detecting and Forecasting Growth in the Seeds of Change.Environmental Foresight and Models.A manifest to Elsvier Science，USA:Elsvier Science，2001:124-165.

[2]Jining Chen.Modeling and Control of the Activated Sludge Process:Towards a Systematic Framework.A Thesis Submitted for the Degree of Doctor of Philosophy of the University of London，London，1993:95-97.

[3]Roland Brun，Peter Reichert，Hans R Knsch.Practical indentifiability analysis of large environmental simulation models[J］.Water Resources Research，2001，37(4):1015-1030.

[4]鄧義祥，陳吉寧，杜鷗飛.HSY算法在水質(zhì)模型參數(shù)識別中的應用探討[J］.上海環(huán)境科學，2002，21(8):497-500.

[5]蔣 彬，呂錫武，劉 壯，等.反應器理論在重要廢水處理改造工程中的應用[J］.水處理技術(shù)，2006，32(4):86-88.

[6]許保玖，龍騰銳.當代給水與廢水處理原理[M］.第2版.北京:高等教育出版社，2000:49-120.

[7]袁守軍，鄭 正，孫亞兵.水解酸化—兩級接觸氧化法處理中藥廢水[J］.環(huán)境工程，2004，22(4):22-23.